河道污泥生产多孔轻质陶粒研究.docx
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河道污泥生产多孔轻质陶粒研究
河道污泥生产多孔轻质陶粒研究
摘要
城市生活污泥通常是指城市污水处理厂初级污泥和二级污泥的混合污泥。
随着各地城市污水处理设施的兴建及污水处理率的提高,国内污水厂污泥产量越来越大。
而传统的污泥处理工艺费用较高,其运行费约占污水厂总运行费用的20%～50%,投资占污水处理厂总投资的30%～40%。
污泥陶粒最早由NakouziS【1】.等提出,是以污泥为主要原料,掺加适量辅料,经过成球、焙烧而成的。
陶粒作为一种轻集料,可以取代普通砂石配制轻集料混凝土,具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点,近年来得到了迅速发展。
城市污水厂污泥是水处理过程中产生的固体废弃物，如果处理不当，不仅会对环境造成二次污染，同时也是对资源的严重浪费。
目前我国城市污水厂污泥的处理处置方式主要是焚烧、填埋和堆肥，这些处理处置方式或多或少地存在着一些问题。
因此，开辟一条新的污泥资源化利用途径显得尤为重要。
本论文以污泥作为主要原料，添加粉煤灰和枯土作为辅料来烧制陶粒滤料，对配料的最佳配比进行了筛选，并考察了烧制过程中各主要因素（干燥时间、预热温度、预热时间、烧胀温度和烧胀时间）对产品性能指标（比表面积、松散容重和颗粒容重）的影响，最终结合正交试验确定了污泥作为主要原料烧制陶粒的最佳工艺条件；然后，将污泥陶粒与普通商品陶粒作为对照，检验其在废水处理实验中的性能，进一步论证了其在废水处理中的可行性。
以比表面积、松散容重和颗粒容重为衡量标准，通过试验筛选出制备污泥陶粒滤料的最佳原料配比为：
高岭土：
脱水污泥：
碳酸钙：
铝粉=9：
8:
2:
1，最佳工艺条件为：
干燥时间lh、预热温度300℃、预热时间20min、焙烧温度1050℃、焙烧时间15min。
此时制得的陶粒比表面积为4.222m2／g，松散容重为635kg／m3，颗粒容重1146kg／m3。
孔隙结构分析表明污泥陶粒具有粗糙的表面，丰富的孔隙结构。
对自制底泥陶粒的效益分析表明，利用河道底泥制备底泥陶粒，具有良好的经济效益、环境效益和社会效益，开辟了一条河道底泥处理、处置和资源化利用的新途径。
关键词：
污泥陶粒轻质焙烧多孔
目录
摘要................................................................1
第一章绪论........................................................1
1.1本文研究的背景和意义...........................................1
1.2污泥陶粒的研究现状.............................................2
1.2.1国外的情况................................................2
1.2.2国内......................................................3
1.2.3污泥陶粒在工程中的应用....................................4
1.3研究的目地.....................................................4
第二章试验原理、设备及试验操作..................................5
2.1试验原理、技术路线.............................................5
2.1.1.试验原理.................................................5
2.1.1.1.烧胀陶粒的原理.......................................5
2.1.1.2.烧胀原料的要求.......................................5
2.1.2.试验路线.................................................6
2.2主要试验设备...................................................7
2.3试验原料.......................................................7
2.4试验操作.......................................................7
2.4.1.生料成球.................................................7
2.4.2.生料球的预处理...........................................7
2.4.3.烧胀及冷却...............................................7
2.4.4.产品指标的测定............................................7
2.4.4.1污泥陶粒松散容重的测定.................................7
2.4.4.2污泥陶粒颗粒容重的测定.................................8
第三章试验结果及分析..............................................9
3.1初始配合比的确定................................................9
3.1.1初始配比...................................................9
3.1.2通过调节脱水污泥和高岭土的比例实验.........................9
3.1.3加入碳酸钙和铝粉的实验.....................................9
3.2污泥陶粒制备过程中主要因素对产品性能的影响.....................15
3.2.1焙烧温度的影响............................................15
3.2.2焙烧时间的影响............................................15
3.2.3预热温度的影响............................................15
3.2.4预热时间的影响............................................15
3.2.5干燥时间的影响............................................16
第四章总结及建议...................................................17
参考文献............................................................19
致谢.................................................................20
第一章绪论
1.1本文研究的背景和意义
以科学发展观为指导，以改善城市生态环境、促进社会经济可持续发展，是建设资源节约型、环境友好型社会的必由之路。
这一建立在以科学发展观为指导前提下的发展循环经济，就是构建节约型社会理念的基础。
因此，以技术可靠、经济合理、综合治理和利用为目标的新技术，就应当坚持科学研究，因地制宜，注重实效的思路来开展。
在目前，各地在对污水、污泥的处理处置中，主要采取临时填埋的处置方法，这种处理处置方法会影响周围环境，容易产生二次污染。
为此，就城市污泥而言，以焚烧技术进行资源化利用，就成为多元化、综合性处理处置污泥的主要模式。
这对于不断提高城市污泥的资源化和无害化，对于改善城市生态环境，促进社会经济可持续发展有积极意义。
本文针对这一现状，提出了利用污泥烧制陶粒新技术的发展与研究的新课题。
应当指出，循环经济是一种将经济体系与环境资源紧密结合的生态经济模式，它主张“减量化、再使用、再循环”的经济活动原则。
它是建立在物质不断循环利用的基础之上的，同时又要求经济运行，必须遵循“资源－产品－再生资源”的物质反复循环流动，也是一种环境友好型、资源节约型社会发展的经济模式。
由于废弃污泥泥源不一，呈现着多变性和多样性，质地各不相同。
这也决定了处理处置污泥的手段和方法的多种多样性，很难也不能以一种方法覆盖全貌。
有的污泥具有残存能源，干基竟达2000~5000大卡/公斤，这可作为再生能源，在一般窑炉作为燃料掺合使用；有的存有贵重、稀有金属。
可作转、瓦原料予以利用，有的要以物理、化学方法交错技术予以无害化处置。
本文以利用废弃污泥烧制一种建材深加工的陶粒仅是出路之一。
那么，什么是陶粒？
陶粒是一种建筑材料，其外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体，但也有一些仿碎石陶粒不是圆形或椭圆形球体，而呈不规则碎石状。
【2】陶粒形状因工艺不同而各异。
它的表面是一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，具有隔水、保气的作用，并且必须赋予陶粒较高的强度。
陶粒径，一般为5-25mm。
陶粒，一般用来取代混凝土中的碎石和卵石。
它能使混凝土在不减强度的前提下，大大减轻混凝土的自重。
陶粒，具有密度小、质轻、保温、隔热，而且有较好的物理性能，也可作为水处理中的一种滤料。
密度（kg/m3）
空隙率%
孔隙率%
IH吸水率%
筒压强度MPa
堆积
密度
颗粒
890
1500
2.61
41
42
10.9
10.8
>30.0
随着经济的全面发展，陶粒在用于高层建筑、公路桥墩、海运码头、保温隔热、环保滤料等方面已开始广泛使用，并已得到市场的接受。
以废弃污泥烧制成陶粒，其意义有两：
一是经济意义。
二是社会环境效益。
利用污泥烧制陶粒，是针对某些有选择的污泥源，从而向建筑材料这个广阔领域去寻找出路，应该说这是一个方向。
从利用的投入和成品的产出的价值差，去权衡经济效益的可取性，是应该首要考虑的问题。
就经济意义而言。
污泥是一种废弃物，源头的材料是低价值的，烧制陶粒是正规工业，它有自身的原料品位要求。
这里所指的投入，其一是把“弃料”改造成“原料”所化的代价，及烧制过程中的相应费用。
从目前国内已有类似厂的实例说明，一立方米的陶粒从废弃污泥至成品，如以直接成本为A的话，其产品市场价值可达2A，应该说有50%的毛利，这是值得我们去追求的。
所以，最终经济效益是可取的。
二是有选择的利用污泥烧制陶粒，在技术上已是成熟的，目前市上已有众多的实例，随着经济的发展，市场的需求是呈上升趋势。
三是从其污泥源头来看，废弃污泥只能越来越多不会枯绝。
从以上三方面因素来看，推广上述方案无重大风险，它能较好地体现综合利用、资源化的总原则。
再从社会效益来看。
目前的河道淤泥形势严峻，在水库、湖泊、海岸、河道中，日积月累，渐渐地沉积起来越厚的泥层。
这不但使河床抬高，减少库容，降低通航能力，影响交通，而且又脏又臭，污染水体和环境，导致赤潮、蓝藻的爆发，影响生产和生活，更由于调蓄能力的降低、引洪能力的减弱，特别在汛期来临之时造成洪水泛滥，危及提防，水灾难免。
这是其一。
其二，城市污水处理厂的污泥，由于污水处理厂的日益发展，其终端废弃污泥的排放也日益增多，而它的特征是：
含水率高（多达70%−98%）难以焚烧，运输成本高，堆放占地面积大，直接填埋则会使填埋场提前报废；其三，微生物、病原体含量高，不加处理，直接施用或弃置会污染食物链；其四，恶臭污染环境，同时向大气排放温室气体（是二氧化碳的20倍）；其五，含有重金属，如果不加控制使用，可能污染土地，造成不可逆的耕地退化。
诚然，污泥的危害目前尚还鲜为人知，常常被非法取用，造成土地的重金属积累超标、土地板结，人类居住环境和食物被无意中污染和破坏。
另外，再从可持续发展的观点看。
经济的发展，不可避免的使工业会产生废弃的污泥排放量，这种面广、量大，且趋日增多的排放后果严重，不可避免地制约着可持续发展。
例如，造纸、皮革、电镀、机制、采油、运驳等等，由此产生的污泥又是有害，又是成分复杂。
以往传统做法常常任意流放，目前已到了无处可排、无地可堆的局面，现实的情况是已到了非解决不可的地步。
为了我国经济的可持续发展，为了我们的子孙后代，科学地、合理地处理处置污泥，已成为我辈不可推卸的历史重任【3】。
1．2污泥陶粒的研究现状
污泥陶粒技术在国内外的研究刚起步，目前的应用主要集中在将污泥作为一种陶粒烧制中的有机物添加剂，使用量少，只有10％左右，达不到大规模处置污泥的目的，其工艺条件和原料配比亟需优化。
1.2.1国外概况
1994年,美国威斯康辛（Wisconsin）公司建成世界上第一家利用城市污泥生产陶粒的工厂,年产量约10万m3,由于产品质量好,得到政府和污水处理厂补贴企业经济效益和社会效益很好【4】。
1.2.2国内情况
金坛市博大陶粒制品厂
一天80至100吨来自污水处理厂的污泥，与当地的膨润土按比例混合，经1200摄氏度高温烧制等工序后，从输送带滑落下来的，已经是新型绿色建材陶粒——这些陶粒，一个个鸽子蛋般大小，还带着余温。
17日，记者在金坛市博大陶粒制品厂见识了这一神奇过程。
本月初，省环保厅副厅长姚晓晴来此调研时称，直接将污泥处理制成建材陶粒，在全国还是第一家。
据了解，污水处理厂产生的污泥目前主要采用焚烧、填埋和堆肥三种处置办法。
但是，焚烧成本高，最高每吨需千元以上，低的也要二三百元；填埋，人工投入大，还极易产生二次污染；堆肥则要占用大片土地，且技术尚不过关。
由此，污泥无害化处理矛盾日益突出，成为全国亟待破解的重大难题，我省将其列为2009年全省7大突出环境问题的第一题。
金坛市博大陶粒制品厂原先以页岩作原料生产陶粒，因成本高、产量低而处于半停产状态。
去年，企业与西安墙体材料研究设计院合作，投入1000多万元改造生产工艺，利用薛埠方山的黄色膨润土资源，将污泥与膨润土混合匀化、陈化堆棚、对辊制粒、回窑转烧等制成陶粒，今年9月获得成功，真正实现了污泥无害化、资源化、效益化处理并利用；而且每吨处理费用只要五六十元，产生效益却是它的十多倍。
这种陶粒密度小、质地轻，经环保、建材等各方面检测，比原来的混凝制品墙体建材更节能、更抗震、更保温、更环保，一经面世便被视为不可多得的绿色建材而大受欢迎，并被苏、浙、沪等地房屋开发商用作屋面和车库绿化层，产品供不应求。
据该厂总经理王谋泉介绍，随着住宅建筑观念的改变，选择陶粒作墙体保温建材已被许多房屋开发企业接受。
现在，该厂两条生产线一天能消化80至100吨污泥，等正常生产后日处理能力可达150至200吨，金坛市所有污水处理厂产生的污泥可日产日清，年生产15万立方米陶粒【5】。
记者同时获悉，金坛市本来准备投入2000多万元新建污泥焚烧厂的资金因此而省下；并已出台污水处理厂污泥治理专项规划，到明年底，6个城镇污水处理厂除1个厂的污泥继续用于制作复合肥外，其余全部送博大陶粒制品厂制作陶粒，使全市包括印染、电镀、化工行业污泥在内的所有污泥无害化处置率达到100%。
台州市
记者从椒江区建设局获悉，我市拟建一条年产5万立方米陶粒生产线，将利用河道淤泥和污水厂污泥作为主要生产原料，设计日处理污泥能力达170吨，淤泥（干）120吨，这种利用污泥来生产陶粒产品的做法在国内还是首例。
生产线投产后，将大大缓解我市河道淤泥和污水厂污泥的处理压力。
据悉，随着我市水环境整治工作的推进，水质卫生有了较大提高，但是河道清淤和污水处理厂的运作也产生了大量的淤泥和污泥。
如何对这些污泥进行处理，也成为一个难题。
据了解，椒江污水厂日处理污水5万吨，平均每天产生污泥70吨，一年内已填满10多亩土地。
污水处理二期工程建成后，日处理污水量将达到15万吨，污泥量也将成倍增长。
由于椒江处理的化工污水较多，污泥无法风干，若有人员不慎跌入后果不堪设想。
同时，成堆的污泥也会给环境造成影响。
而拟建的这套生产线将利用河道清理淤泥作主要原料，污水（化工）处理污泥为主要辅助原料，再掺加少量外加剂生产出优质的各种级别陶粒，其各项指标均符合国家标准。
而陶粒及其制品的密度轻、相对强度高，隔热保温及耐火性能好，具有广阔的市场前景，真正实现了“变废为宝”，实现了污泥的资源化突破，破解了污泥处理难题【6】。
20世纪90年代以来,中国学者也进行了大量污泥质轻质陶粒的研究,并取得了一定的成果。
广州华惠轻质陶粒制品厂利用城市污水处理厂污泥,替代河道淤泥或部分粘土烧制轻质陶粒获得成功,已经应用于实际生产,日处理污泥量已达到300t/d,过去注珠江口填海的污泥得以在利用[7]池长江等人在1995年以污泥为主要原料,掺以粘土和少量固体燃料研制生产出污泥陶粒,使污泥变废为宝,有利于改善环境污染,具有较好的社会效益和经济效益[8]。
1.2.3在工程中的应用
（1）用于配制轻骨料砼
陶粒可以配制CL2.5-C45Mpa,密度小于1950kg/m的轻骨料砼.
（2）用于生产轻质砌砖
轻质陶粒生产的轻质砌块具有节能环保、轻质高强、隔音隔热、耐火防潮等优良性能.
（3）用于生产轻质墙板
轻质陶粒生产的轻质墙板具有重量轻、强度高、保温、隔热、隔声、耐火、防潮性能好、抗震、抗冲击、收缩率小等优良性能.
（4）用于天面隔热、找坡
轻质陶粒用于天面隔热找坡具有隔热效果明显;整体性好、施工简便;抗压强度高;可永久性使用;屋面可以承重,且钢筋砼结构无需找坡,可以按使用要求铺设排水坡度,大大方便了设计和施工.
（5）用于楼地面、管道、厨、厕和软基础的回填和垫层
轻质陶粒用于垫层可提高楼层保温、隔热、隔音及承载力,可方便地面中管线的布置和安装,可防止楼地面回潮;用于卫生间厕盆、浴缸回填,大大减轻了楼面荷载;可方便公路软基础处理.
（6）用于天台花园绿化
轻质陶粒用于天台花园具有减轻楼面荷载,保护泥土不随水流失及快速疏通积水,并在炎热干燥时保持土壤水份和肥料的供给.
1.3研究的目的
本论文的目的是以城市污水处理厂脱水污泥作为原料制备污泥陶粒，并对污泥陶粒在废水处理实验中的应用性能进行检验。
本论文以污泥作为主要原料，以高岭土和碳酸钙、碳铝粉作为辅料来烧制陶粒滤料，对配料的最佳配比进行了筛选。
并考察了烧制过程中各主要因素（干燥时间、预热温度、预热时间、烧胀温度和烧胀时间）对产品性能指标（比表面积、松散容重和颗粒容重）的影响，最终根据做出样确定了污泥作为主要原料烧制陶粒的最佳工艺条件，为此项污泥资源化技术的：
工业化应用奠定了坚实的基础：
然后，将污泥陶粒与普通商品陶粒作对照，检验其在废水处理实验中的性能，进一步论证了其在废水处理中的可行性，为污泥陶粒的推广应用提供了可靠的技术依据。
，
综上可以看出，以脱水污泥制备陶粒滤料，既解决了污泥的二次污染问题，同时又将污泥变“废”为“宝”，使其成为一种有用的资源，实现了经济效益、环境效益和社会效益的完美结合，走出了一条可持续发展的新路。
因此，本论文具有重要的理论意义和实际应用价值。
第二章试验原理、设备及试验操作
2.1试验原理、技术路线
污泥是由代谢的微生物尸体和吸附物组成，排放时含水量在99%以上，经过机械脱水后呈泥土状，含水率仍达80%左右。
我们以前处理脱水污泥主要是用填埋、焚烧、排海、堆肥等方法。
但由于现在许多城市的排水系统大多有工业废水排入，致使脱水污泥中的有害物质增多，另外脱水污泥经机械脱水时，加入的絮凝剂对土壤有板结作用，当用于农业应用时，易使土质恶化，同时污泥中的有害物质会在土壤中累积，病毒等也易污染土壤，直接或间接地危害人类的身体健康[9]。
这些使得脱水污泥的处理处置日趋困难。
部分地区的脱水污泥甚至没有经过处理，露天堆放，容易重新循环到环境中，再次造成污染。
一些发达国家和地区目前采用焚烧的方法处理脱水污泥，这样可以避免有害物质重新回到环境中造成污染。
但焚烧处理的费用较高，每吨污泥（含水率80%）的处理成本在200元左右[10]。
从我国的现状来看，脱水污泥的焚烧处理在经济上难以承受。
因而，我们有必要对脱水污泥的处理处置及资源化进行研究，找出适合我国国情的处理处置及资源化方法。
2.1.1.试验原理
国内目前对直接利用脱水污泥研制陶粒的报道很少，几乎都是污泥焚烧后再制陶粒，这种方法能耗大，且未能充分利用污泥中的有机成分。
上海建筑科学研究所对直接利用脱水污泥制陶粒的研究实验，所使用的为工业污泥[11]，且只作配料，用量很少，占20%左右，未能达到大量处理脱水污泥的目的。
本试验用脱水污泥为主要原料制取陶粒，其污泥用量将达50%以上。
用脱水污泥制取陶粒不仅将污泥农用的风险减少，且能变废为宝，达到以废治废的目的，大大降低了处理脱水污泥的费用。
此外，利用污泥生产陶粒还可节约资源，减少堆放污泥的占地，还可使污水处理厂产生一定的经济效益。
2.1.1.1.烧胀陶粒的原理
关于陶粒的烧胀，许多专家认为，其原料应当满足下列两个条件才能产生膨胀[12]
第一、它应当有一定的化学组成，并有一定数量的对SiO2和Al2O3起助熔作用的熔剂，使物料在高温下产生足够粘稠的熔融物，以便能够包住气体，产生孔隙。
第二、原料应当含有能在物料达到熔融温度时分解放出气体，或是与其它物质反应放出气体的物质。
以上两个条件主要决定于原料的化学成分和矿物组成。
2.1.1.2.烧胀原料的要求
生产陶粒的原料不论采用什么原料，其对成分的要求都要适合一定的范围，否则达不到上述烧胀的两个条件。
对原料成分的要求Riley和Wilson做了大量的工作[13]，通过对大量样品膨胀性能的研究，他们提出了一个以氧化硅、氧化铝和熔融物（氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠）为三个顶点的相图，如图3-1所示。
他们认为凡是原料组成在相图上特定区域内（图中阴影部分）的物质几乎都具有烧胀特性。
丹麦史密斯公司的专家根据对Leca陶粒的原料化学成分进行统计，认为具有一般烧胀性能的陶粒原料，其组成成分范围应如图2-1中所示[14]。
由于污泥富含有机质，在加热升温的过程中会发生反应，产生气体（主要是CO2、H2O、H2、CO、CH4、SO2等），可以满足上述的条件之一。
但污泥的无机成分不能满足对原料化学成分的要求，因此我们需要对原料的成分进行调整，添加一定的物质，使之满足条件。
2.1.2.试验路线
目前生产陶粒的方法主要有烧结、烧胀、蒸压和蒸养等[15]。
我们用于生产陶粒的主要原料是脱水污泥,由于其中含有大量的有机质和其它物质,因而采用蒸压和蒸养的方法都不可能。
我们研究的是陶粒,因此只能采用烧胀的方法生产。
另外，城市生活污泥制取陶粒的研究在成球工艺上一般有两种工艺，即使用成球盘的粉磨成球和挤压的塑化成球。
由于脱水污泥含水率较高（80%左右），而采用粉磨成球的原料必须先干燥粉碎后再成球，这样就将增加陶粒的生产成本。
所以我们采用挤压的塑化成球。
试验路线选定如图2-2、
图2-2试验路线
2.2主要试验设备
本试验采用的设备主要有：
架盘天平（Max=5000g,e=2g）一台
架盘天平（Max=100g,e=0.1g）一台
电热鼓风恒温干燥箱（300℃）一台
电阻炉温度控制器（1300℃）一台
箱式电阻炉（1300℃）一台
球磨机型号：
SQ．B，容积6．5L
标准筛国家统一标准筛，不绣钢网，直径20mm。
2.3试验原料
本试验采用的试验原料有：
脱水污泥（武进城区污水处理厂）
高岭土（福州）
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